RC缓冲电路snubber设计原理

RC 缓冲 snubber 设计

Snubber 用在开关之间，图 4 显示了 RC snubber 的结构图，用 RC 电路可以降低管子的峰值电压及关断损耗和降低电流振铃现象。我们可以轻松选择一个snubber Rs ， Cs 网络，但是我们需要优化设计以达到更好的缓冲效果

快速 snubber 设计，为了达到 Cs 〉 Cp ，一个比较好的选择是 Cs 选择两倍大小的 Cp ，也就是两倍大小的开关管寄生电容及估算出来的 LAYOUT 布板电容，对于 Rs ，我们选择的标准是 Rs=Eo/Io ，这表示通过电流流向 Rs 的所产生的电压不能比输出电压还大。消耗在 Rs 上的电压大小我们可以通过储存在Cs 上的能量来估计。下式表示了储存在电容上的能量。

当电容 Cs 充放电的过程中，能量在电阻 Rs 上消耗，而这个过程中在一个给定的开关频率下平均的功率损耗如下所得：

因为振铃的发生，实际的功耗比上式要稍微大一些。

如下将用实例来演示一遍以上的简化设计步骤，现在用 IRF740 ，额定工作电流时 Io=5A ， Eo=160V ， IRF740 的 Coss=170pF ，布板寄生电容大概 40pF ，两倍 Cp 值大概 420pF 左右，我们选择一个 500V 的 mike snubber 电容，标准的容值有 390 和 470pF ，我们选择比价接近的 390pF ， Rs=Eo/Io=32W ，开关频率 fs 设为 100kHz 的话， Pdiss 大概为 1W 左右，选择一个寄生电感非常小的 2 W 的碳膜电阻作为 Rs 。

如果这种简化而实际有效的设计方法还不能有效减小峰值电压，那么我们可以增加 Cs ，或则使用如下的优化设计方法。

优化的 RC 滤波器设计

在一些情况下必须降低峰值电压及功率损耗很严重，我们可以借鉴以下的优化snubber 设计方法，以下是博士在一篇文章提出的经典的 Rcsnubber 优化设计方法，如下讨论其精粹的设计步骤。

在以下讨论中我们需要如下表的定义：

在设计过程中 Io ， Eo 和 Lp 需要事先知道，一个合理的峰值电压 E1 也是必须的，这直接用来决定 Rs 和 Cs 的大小，图 5 显示了 E1/E0 与 z 在不同的 c 下的关系，图中的一个关键点是我们在一个给定的 c (c a 1/ Cs) 下可以得到一个最优化的 z ( z a R s ) ，这一值让我们得到最优的设计，最低的峰值电压。另外一个重要点是 Cs 的大小决定了峰值电压的大小，如果要得到一个更低的峰值电压，我们就必须提高 Cs 的大小，这也意味着我们峰值电压的减小意味着功率损耗的增大。

对于一个如图 6 给定的图形来说， RC 缓冲器设计非常简单，如下是设计的主要步骤：

1．决定 Io ， Eo 和 Lp 大小。

2．选择最大的峰值电压值

3．计算 E1 /Eo

4．从图形中得到 z 和 c

对给定的 z ， c 计算 R s 和 C s

如下是一个实际的例子，如果 Io=5A ， Eo=300V ， Lp=1uH ， E1=400V ，那么 E1/Eo= ，按照图 6 虚线和圆圈标示， c o = ， z o= 8 ，我们可以用下式来计算 R s 和 C s ：

选择标准的电容 C s = 680pF ，标准电阻 R s = 62 Ohms

上图 5 和图 6 并没有考虑开关并联电容和暂态时间的影响，在通常情况下，理想的 Rs 将小于计算值，更为精确的优化设计需要 spice 的仿真。

图 7 显示了使用 IRF840 的 Rs 优化设计，理想的设计值为 Rs=51W ，

E1=363V 。 Rs=39 和 62W ， E1 将更大，因为并联在开关管上电容影响，最终的峰值电压将小于 400V ，如果 E1 允许超过 400V ，那么 Cs 的值还可以减小，这样可以降低损耗。

决定 Lp

Eo 和 Io 直接从电路中得到， E1 的值是在开关的额定工作电压即功率元件降额上取得平衡。我们必须选择最大的峰值电压来取，所有这些等式都简单明了，但是 Lp 是由 LAYOUT 的电路特性决定，不容易计算得到，我们可以通过测量一个振铃周期 T1 ，在加上并在开关管上的测试电容 Ctest 和重新测试的周期

T2 ， Lp 可以用下式计算得到：

通常 Ctest 大约是开关电容的两倍。

RC snubber 网络在小中功率电源应用中非常有用，但是在上千功率段， snubber 上的损耗过大，我们就需要考虑其他形式的拓扑结构， RC 滤波器也可以在高功率下作为一个备用方案来选择，主要用来抑制高频振铃，而伴随的能量不是很高的情况。